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표제지
국문초록
목차
1. 서론 16
1.1. 연구 배경 및 목적 16
1.2. 연구의 범위 및 방법 18
2. 예비적 고찰 21
2.1. 대기 중 미세먼지의 실내 유입 21
2.1.1. 실내 미세먼지의 농도 형성 메커니즘 22
2.1.2. 침투계수와 침착률 25
2.1.3. 건물에서의 공기유동 29
2.2. 기계환기시스템의 미세먼지 제거성능 36
2.2.1. 선행연구 고찰 36
2.2.2. 영향인자 38
2.2.3. 평가지표 및 평가방법 39
3. 미세먼지 농도해석 시뮬레이션 평가 및 검증 실험 40
3.1. 개요 40
3.2. 챔버실험을 통한 시뮬레이션 입력값의 산정 41
3.2.1. 실험대상 41
3.2.2. 기밀성능 43
3.2.3. 침투계수 및 침착률 44
3.2.4. 급배기 풍량 및 집진효율 54
3.3. 시뮬레이션 평가 56
3.3.1. 평가모델 56
3.3.2. 모델검증 58
3.3.3. 실내 미세먼지 농도 70
4. 침기에 따른 기계환기시스템의 미세먼지 제거성능 평가 72
4.1. 개요 72
4.2. 해석모델 73
4.2.1. 대상건물 73
4.2.2. 입력값 설정 76
4.2.3. 평가방법 82
4.3. 침기에 따른 미세먼지의 실내 유입 84
4.3.1. 압력분포 및 침기량 84
4.3.2. 외기 미세먼지 유입 90
4.4. 침기에 따른 미세먼지 제거성능 94
4.4.1. 실내 입경별 미세먼지 농도 94
4.4.2. 시스템의 미세먼지 제거성능 98
4.4.3. 침기를 고려한 미세먼지 제거성능 103
4.5. 침기를 고려한 기계환기시스템의 선정 110
4.5.1. 침기를 고려한 기계환기시스템의 설계 110
4.5.2. 미세먼지 제거성능 개선 효과 112
5. 결론 123
참고문헌 128
ABSTRACT 134
〈표 2-1〉 기밀성능 지표 32
〈표 2-2〉 미세먼지 제거성능 평가 지표 39
〈표 3-1〉 시뮬레이션 및 현장실험 분석 케이스 42
〈표 3-2〉 개구율에 따른 누기면적 측정값 43
〈표 3-3〉 CO₂ 추적가스법을 통한 공기교환율 추정결과 46
〈표 3-4〉 공기교환율, 침투계수 및 침착률 추정 결과 49
〈표 3-5〉 기계환기시스템의 급배기 풍량 54
〈표 3-6〉 기계환기시스템의 시스템 집진효율 55
〈표 3-7〉 케이스별 시뮬레이션 입력값 57
〈표 3-8〉 측정값과 시뮬레이션 결과값의 오차 평가 방법 59
〈표 3-9〉 측정값과 시뮬레이션 결과값의 편향성 평가 방법 59
〈표 3-10〉 CO₂ 농도 측정과 시뮬레이션 결과값의 편향성 평가 62
〈표 3-11〉 미세먼지 농도 측정값과 시뮬레이션 결과값 검증결과 68
〈표 4-1〉 해석모델 건물 개요 75
〈표 4-2〉 해석모델 입력변수 77
〈표 4-3〉 시뮬레이션 기밀성능 입력값 78
〈표 4-4〉 기밀성능 수준에 따른 시뮬레이션 케이스 구분 79
〈표 4-5〉 시뮬레이션 침투계수 및 침착률 입력값 80
〈표 4-6〉 미세먼지 입경별 밀도 및 질량농도 비율 81
〈표 4-7〉 PM10 농도에 대한 입경범위별 개수농도(이미지참조) 81
〈표 4-8〉 기계환기시스템 시스템 변수에 따른 단계별 평가조건 및 평가내용 83
〈표 4-9〉 시스템 변수에 따른 적용 시스템 성능 111
[그림 1-1] 연구 흐름도 20
[그림 2-1] 대기 중 미세먼지의 유입 및 실내 거동 메커니즘 22
[그림 2-2] 실험을 통해 도출된 미세먼지 입경별 침투계수 26
[그림 2-3] 미세먼지 입경별 침착률 27
[그림 2-4] 실험을 통해 도출된 미세먼지 입경별 침착률 28
[그림 2-5] 실험을 통해 도출된 시스템 가동시 미세먼지 입경별 침착률 28
[그림 2-6] 건축년도에 따른 공동주택의 외피 기밀성능 34
[그림 2-7] 공동주택의 개구부 부위별 기밀성능 35
[그림 2-8] 기계환기시스템 내부 구조 및 운전모드 예시 37
[그림 3-1] 실험 챔버 단면 및 구성 42
[그림 3-2] CO₂ 추적가스법을 통한 공기교환율 추정 46
[그림 3-3] Case 1(시스템 미가동, 댐퍼 개구율 0%)의 미세먼지... 50
[그림 3-4] Case 2(시스템 가동, 댐퍼 개구율 100%)의 미세먼지... 51
[그림 3-5] Case 3(시스템 가동, 댐퍼 개구율 0%)의 미세먼지... 52
[그림 3-6] Case 4(시스템 가동, 댐퍼 개구율 100%)의 미세먼지... 53
[그림 3-7] 케이스별 침착률 추정 결과 54
[그림 3-8] 모델링 대상 실험챔버 상세 58
[그림 3-9] 급배기 풍량 측정값과 시뮬레이션 결과값 60
[그림 3-10] CO₂ 농도 측정값 및 시뮬레이션 결과값 62
[그림 3-11] 기류해석 시뮬레이션 검증 63
[그림 3-12] 미세먼지 농도해석 시뮬레이션 검증,... 64
[그림 3-13] 미세먼지 농도해석 시뮬레이션 검증,... 65
[그림 3-14] 미세먼지 농도해석 시뮬레이션 검증,... 66
[그림 3-15] 미세먼지 농도해석 시뮬레이션 검증,... 67
[그림 3-16] 입경범위별 실내 미세먼지 농도 시뮬레이션 결과 71
[그림 4-1] 준공년도별 고층건물 층수 분포 75
[그림 4-2] 해석대상 건물 평면 Sketchpad 구현 75
[그림 4-3] 1단계(시스템 성능: ACH 0.5 h-1, MERV 10), 층별 세대 압력분포(외피 기밀성능: Level 1 (Tight))(이미지참조) 85
[그림 4-4] 1단계(시스템 환기율: 0.5 h-1, 필터등급: MERV10), 층별 세대 압력분포(외피 기밀성능: Level 2 (Normal))(이미지참조) 86
[그림 4-5] 1단계(시스템 환기율: 0.5 h-1, 필터등급: MERV10), 층별 세대 압력분포(외피 기밀성능: Loose)(이미지참조) 87
[그림 4-6] 1단계(시스템 환기율: 0.5 h-1, 필터등급: MERV10), 기밀성능에 따른 층별 세대 침기량(이미지참조) 89
[그림 4-7] 층별 침투율(침투계수×공기교환율) 91
[그림 4-8] 기밀성능에 따른 저층부, 중층부, 고층부의... 93
[그림 4-9] 1단계 (시스템 환기율: 0.5 h-1, 필터등급: MERV10)의 기밀성능에 따른...(이미지참조) 95
[그림 4-10] 1단계 (시스템 환기율: 0.5 h-1, 필터등급: MERV10)의 기밀성능에 따른...(이미지참조) 96
[그림 4-11] 1단계 (시스템 환기율: 0.5 h-1, 필터등급: MERV10)의...(이미지참조) 97
[그림 4-12] 기밀성능에 따른 세대 내 층별 급배기 풍량 99
[그림 4-13] 시스템 변수에 따른 기밀성능별... 100
[그림 4-14] 시스템 변수에 따른 기밀성능별 실내 PM10 농도(이미지참조) 102
[그림 4-15] 1단계 (시스템 환기율: 0.5 h-1, 필터등급: MERV10)의...(이미지참조) 105
[그림 4-16] 2단계 (시스템 환기율: 0.8 h-1, 필터등급: MERV10)의...(이미지참조) 106
[그림 4-17] 3단계 (시스템 환기율: 0.5 h-1, 필터등급: MERV16)의...(이미지참조) 107
[그림 4-18] 기밀성능에 따른 세대 내 층별 침기율 110
[그림 4-19] 시스템 변수에 따른 실내 PM10 농도(이미지참조) 114
[그림 4-20] 시스템 변수에 따른 시스템 미세먼지 제거율 116
[그림 4-21] Case 1-1 (Tight)의 시스템 변수에 따른... 118
[그림 4-22] Case 1-1 (Tight)의 시스템 변수에 따른... 118
[그림 4-23] Case 2-2 (Normal)의 시스템 변수에 따른... 119
[그림 4-24] Case 2-2 (Normal)의 시스템 변수에 따른... 119
[그림 4-25] Case 3-3 (Loose)의 시스템 변수에 따른 침기를... 121
[그림 4-26] Case 3-3 (Loose)의 시스템 변수에 따른... 122
[그림 4-27] 기밀수준에 따른 층별 적정 시스템 변수 122
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대기오염으로 인한 실내공기질의 악화로 미세먼지의 건강위해성에 대한 우려가 지속되고 있다. 특히, 15세 이하의 영유아와 어린이, 65세 이상의 노인은 미세먼지 건강위해성이 높은 고위험군으로 하루 중 대부분의 시간을 실내에서 보내기 때문에 재실자의 위한 실내공기질의 적절한 관리가 요구된다. 실내공기질 관리를 위한 장치로서 기계환기시스템의 보급률이 증가함에 따라 기계환기시스템의 실내 미세먼지 저감성능 관련 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로 기계환기시스템의 미세먼지 제거성능 평가는 외기 미세먼지의 농도와 침기의 영향을 배제하는 경우가 흔하지만, 기밀성능이 매우 낮은 노후 학교건물과 주택 혹은 실내외 압력차로 인한 공기유동량이 큰 고층건물의 경우 침기로 인한 미세먼지의 유입에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 건물의 침기를 고려한 기계환기시스템의 미세먼지 제거성능 평가를 목적으로 한다. 이를 위하여, 선행연구의 고찰을 통해 미세먼지 제거성능과 침기에 대한 주요 영향인자를 도출하였다. 또한, 단일 실에 대한 현장실험을 통해 영향인자에 대한 시뮬레이션 입력값을 산출하고 이를 바탕으로 작성한 시뮬레이션 해석모델을 통해 침기의 유무에 따른 기계환기시스템 미세먼지 제거성능의 차이를 확인하였다. 이에 침기 수준이 다른 조건에서의 미세먼지 제거성능을 평가하기 위하여 공기유동에 의한 침기 영향이 지배적인 고층 공동주택을 가상의 건물을 설정하여 실내 미세먼지 농도에 대한 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 외피와 세대 현관문의 기밀성능에 따라 침기의 수준이 상이한 건물을 대표하도록 케이스를 설정하고 이에 대한 공기유동량과 압력분포, 실내 미세먼지 농도 해석을 통해 미세먼지의 실내 유입량과 기계환기시스템의 미세먼지 제거성능을 평가하였다.
본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 멀티존 시뮬레이션을 이용한 실내 미세먼지 농도 해석을 위하여 현장실험을 통해 주요 영향인자인 기밀성능, 침투계수, 침착률, 시스템 집진효율 등에 대한 시뮬레이션 입력값을 취득하였다. 현장실험 대상 실험챔버의 침기 모사 댐퍼 개구율에 따른 공기교환율은 각각 0.07 h-1와 0.54 h-1로 나타났다.
(2) 단일 존에 대한 실내 미세먼지 농도 해석 결과, 침기가 모사된 실에서 기계환기시스템 미가동 조건인 경우 실내 미세먼지가 농도가 가장 높은 것으로 나타났다. 기계환기시스템이 가동된 조건에서 침기 유무에 따른 실내 미세먼지 농도 차이가 확인되었다. 따라서, 동일한 성능의 기계환기시스템을 적용하더라도 공간의 기밀성능에 따라 시스템의 제거성능에 차이가 있을 수 있다.
(3) 가상의 고층 공동주택의 기밀수준에 따른 멀티존 시뮬레이션 해석 결과, 기밀성능이 높을수록 층별 실내 미세먼지 농도의 차이가 적게 나타났다. 그러나, 겨울철 연돌효과로 인한 건물의 공기유동특성의 영향으로 동일한 침기량이 발생하더라도 저층부에서는 외피를 통해 대기중 미세먼지가 직접 유입되어 실내 미세먼지 농도가 높게 나타난 반면, 고층부에서는 엘리베이터, 계단실 등 다양한 공기유동경로에서 침착 및 여과된 미세먼지가 유입되어 고층부로 갈수록 실내 미세먼지 농도가 낮게 나타났다. 고층부에서는 실내 고농도 미세먼지가 외피를 통해 유출되면서 오히려 미세먼지가 저감되는 양상을 보여 기밀성능이 낮은 조건보다 실내 미세먼지 농도가 더 낮은 것으로 나타났다.
(4) 기계환기시스템의 미세먼지 제거성능에 대한 침기의 영향은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫번째로, 압력차에 의한 급배기풍량의 불균형으로 시스템 변수를 변화시켜 직접적인 영향요인으로 작용한다. 두번째로, 침기에 의한 미세먼지의 유입 및 유출이 실내 미세먼지 농도에 영향을 미쳐 미세먼지 제거성능에 간접적인 영향요인으로 작용한다.
(5) 외피의 기밀성능이 뛰어난 신축 공동주택의 경우 층별 침기량의 차이가 두드러지지 않지만 기밀성능이 낮은 노후 공동주택의 경우 세대의 누기면적이 동일하더라도 위치에 따라 실내외 온도차, 외부 풍속 등 다양한 환경요인에 의한 공기유동특성의 영향으로 저층부, 고층부와 중층부의 침기량 차이가 최대 40배까지 달라질 수 있다. 따라서, 동일한 기밀성능의 세대라도 중성대로부터의 거리에 따라 외피의 압력차로 인한 침기량이 상이하므로 적정 시스템 변수가 달라지게 된다. 또한, 미세먼지의 입경별 외피 침투계수와 비교하여 시스템의 필터효율이 낮은 경우, 시스템 환기율을 증가시키면 미세먼지 제거성능이 저하되므로 외피 특성에 따른 시스템의 개선 및 설계가 요구된다.
(6) 기계환기시스템의 적용시 건물의 기밀성능과 공기유동특성을 파악하여 침기를 고려한 시스템의 선정 및 설계가 필요하다. 공간에 대한 높은 압력차와 침기량이 발생할 것으로 예상되는 고층 건물의 경우, 건물의 기밀성능이 낮을수록 높은 풍량까지 출력이 가능한 팬을 적용함으로써 겨울철 연돌효과에 따른 급배기 풍량의 저하 및 불균형에 대응할 필요가 있다. 또한, 기밀성능이 높은 건물에서는 대기중 미세먼지의 침입의 영향은 미미하지만 실내 고농도 미세먼지 발생에 대응할 수 있도록 재실자의 활동을 고려한 기계환기시스템의 선정 및 운영이 필요할 것으로 보인다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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